CN109830810A

CN109830810A - 一种宽带超薄微波吸波超材料

Info

Publication number: CN109830810A
Application number: CN201711178722.6A
Authority: CN
Inventors: 刘世丞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-31

Abstract

公开一种在微波频段内的宽频吸波超材料，该吸波超材料结构由金属薄板或薄膜、介质层基板和位于介质层外表面的导电单元组成，其中，位于介质层表面的导电单元由四个同心方环构成。通过合理地设计导电单元结构的几何参数以及面电阻参数，本发明能够实现宽频电磁波吸收。本发明具有结构简单、超薄、体积小的特点，可贴装于目标物体表面，在国防民用领域均有一定的应用潜力。

Description

一种宽带超薄微波吸波超材料

技术领域

本发明属于电子功能结构材料技术领域，尤其涉及一种宽频吸波超材料。

背景技术

在国防军事领域，吸波材料能避开敌方雷达的跟踪和探测，使武器装备消失在敌方雷达探测器的视野中，从而提升武器装备的战场生存能力；在日常生活方面，吸波材料可用于减少各种电子设备的电磁泄露现象，减轻电磁波对人体和环境的负面影响。因此，吸波材料在军民领域均有广泛用途。

近年来，超材料由于其所具有的新颖物理效应及潜在应用价值受到了广泛的关注，并被应用于诸多新的领域，如负折射材料、隐身衣、完美透镜等。根据等效媒质理论，超材料的的电磁特性用等效介电常数和等效磁导率表示。通过合理地设计超材料的周期尺寸及其几何参数，使其与入射的电磁波分别产生电谐振与磁谐振，从而相应地控制其等效介电常数和等效磁导率。通过对超材料的等效介电常数和等效磁导率的调制，可以使其的等效阻抗与空气阻抗匹配，达到零反射的效果，同时通过底层配置金属反射薄板，使得透射为零，这样实现了对入射电磁波的完美吸收。

J.B. Pendry和D.R. Smith在Scientific American（2006年第295卷, 60页-67页）详细地描述了超材料的各种诱人前景。受Pendry和 Smith等人的启发，研究人员为了获得双频、三频甚至多频的吸收性能，开展了缺口方形单环、缺口方形双环、缺口方形多环、工字型、树枝或花瓣状和双箭头型等多种模型的研究。从周期吸波结构的吸波性能来看，这些研究主要包括超薄单峰吸收、多峰吸收和宽频吸收。空军工程大学林宝勤等人在《一种基于多层电阻膜的超宽带超材料吸波体》（电子学报, 2014年第3卷，第607页-610页)一文中，对方环形多层超材吸波体的吸波特性进行了模拟，其仿真模型的各层电阻膜片外形相同，但表面阻值不同，四层6毫米的叠层板吸波体的仿真分析结果表明，该吸波体对带宽在数十GHz频段之间的垂直人射波吸波率均大于90%。

现有文献报导的吸波超材料仍不能满足材料厚度薄、重量轻、吸收频带宽的需求。或者虽然一定程度实现了较宽的带宽，但是结构复杂、厚度尺寸大。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种宽频超薄吸波超材料结构，该宽频吸波超材料结构基于四个同心方环构成的周期结构，实现微波波段宽频超薄高吸收率的吸波功能。

本发明技术方案如下：

一种宽频吸波超材料结构，如图1所示，包括金属薄板（1）、位于金属薄板表面的介质层（2）和位于介质层表面的超材料（3）；所述位于介质层表面的超材料（3）由单元超材料结构周期性排列组成，其中单元材料结构为四个同心方环，每个单元均为正方形结构。

图1中所示的关于位于金属薄板表面的介质层（2）和位于介质层表面的超材料（3）的结构参数定义如下：介质层（2）的厚度为；位于介质层表面的超材料（3）的厚度为。

图2中所示的关于单元超材料结构的结构参数定义如下：单个单元边长为；最外至最内方环外径分别为，，，和；最外至最内方环线宽分别为，，，和。

进一步地，所述同心方环超材料结构尺寸如下（单位均为mm）：、、、、、、、、。

进一步地，所述金属薄板（1）选用导电材料；所述金属薄板表面的介质层（2）采用介电常数实部3.3～4.9范围内的材料，其厚度；所述位于介质层表面的超材料（3）采用面电阻于范围内的材料，其厚度满足面电阻的测试要求，一般不大于数十微米。

本发明具有以下效果：

1、通过四个同心方环的设计，获得了宽频高吸收率的微波波段电磁波吸收效果；

2、通过调整位于介质层表面的超材料（3）的面电阻与其结构参数，，，，，，，，，金属薄板表面的介质层（2）厚度，以及位于介质层表面的超材料的厚度，可以得到吸收带宽不同的宽频吸波超材料，以满足不同频率范围对微波电磁波的吸收要求；

3、本发明具有结构简单、超薄、体积小的特点，可贴装于目标物体表面，在国防民用领域均有一定的应用潜力。

附图说明

图1为本发明关于位于金属薄板表面的介质层（2）和位于介质层表面的超材料（3）结构参数的定义。

图2为本发明关于四个同心方环单元结构材料参数的定义。

图3为介质板厚度的基于四个同心方环的宽频吸波超材料的若干面电阻的计算结果。

图4为介质板厚度的基于四个同心方环的宽频吸波超材料的若干面电阻的计算结果。

图5为介质板厚度的基于四个同心方环的宽频吸波超材料在面电阻时的计算结果。

具体实施方式

实施方式一：

采用CST STUDIO SUITE软件对模型进行理论计算，在导电单元结构参数（单位均为mm），，，，，，，，，，介质板结构参数，导电单元材料参数取值（单位均为）为135、260、385和510时，如图3所示，计算结果显示此材料能在较宽波段内实现反射系数（即大于的吸收率）。其中，在时，材料在频率范围内均实现了反射系数（即大于的吸收率）。图3中所示的计算结果仅在特定频率点实现了吸收波峰，未能实现宽频吸收。

实施方式二：

采用CST STUDIO SUITE 2015软件对模型进行理论计算，在导电单元结构参数（单位均为mm），，，，，，，，，，介质板结构参数h=1mm，导电单元材料参数R取值（单位均为）为260、385和400时，如图4所示，计算结果显示此材料能在较宽波段内实现反射系数（即大于90%的吸收率）。其中，在与时，材料在16～60GHz频率范围内均实现了反射系数。

实施方式三：

利用CST STUDIO SUITE 2015软件的参数扫描功能，设置介电板为低损耗介电材料，其介电常数实部在3.3～4.9范围，将同心方环超材料结构尺寸（单位均为mm）在如下范围内进行扫描计算，、、、、、、、、，在16～60GHz频率范围内均实现了带宽40GHz以上的大于90%的吸收率。

实施方式四：

采用CST STUDIO SUITE 2015软件对模型进行理论计算，在导电单元结构参数（单位均为mm），，，，，，，，，，介质板结构参数，导电单元材料参数时，如图5所示,计算结果显示此材料未能在宽频范围内实现反射系数（即大于90%的吸收率）。

综上所述，本发明中所获得的宽频吸波超材料在给出的结构参数以及材料参数内能在不同频带范围内实现较完美的电磁吸收。

Claims

1.一种宽频吸波超材料结构，其特征在于，该超材料包括金属层（1）、介质层（2）和位于介质层表面的超材料（3），所述金属层为全反射电磁波的材料，尺寸不受限制；所述介质层（2）长度和宽度均在25～27.4（单位为mm）范围；所述介质层表面的超材料（3）由周期性排列的单元结构组成，其中单一单元材料结构为四个同心方环，该同心方环结构尺寸（单位均为mm）的最外层第一环边长24～26.4、线宽1.35～1.65; 第二环边长20～22、线宽0.9～1.1；第三环边长14～16.8、线宽2.25～2.75；最内层第四环边长6～7.5、线宽1.8～2.2。

2.根据权利要求1所述的宽频吸波超材料结构材料，其特征在于，所述位于介质层表面的超材料（1）采用电阻膜结构，其面电阻在135～510欧姆/sq范围、厚度符合面电阻测试要求。

3.根据权利要求1所述的宽频吸波超材料结构材料，其特征在于，所述介质层（2）采用低损耗介电材料，介电常数实部在3.3～4.9范围内，其厚度大于等于0.7mm。

4.根据权利要求1所述的宽频吸波超材料结构材料，其特征在于，所述金属层（1）选用具有全反射电磁波的导电材料。